[공정제어응용] Simulink를 이용한 Compressor flow control의 Override Control에 대한 분석

소개글

[공정제어응용] Simulink를 이용한 Compressor flow control의 Override Control에 대한 분석에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론(Introduction) ………………………………… 1

2. 이론적 배경(Theory) ………………………………… 1
　2.1. Override Control ………………………………… 1
　　2.1.1. Override Control의 정의 ………………………………… 1
　　2.1.2. Selective Control ………………………………… 2
　　2.1.3. Override Control의 예 ………………………………… 2
　2.2. Reset Feedback ………………………………… 3
　　2.2.1. PI Control과 Reset windup ………………………………… 3
　　2.2.2. Anti-reset windup ………………………………… 4
　2.3. Compressor Control System ………………………………… 5

3. 결과 및 분석(Results and Analysis) ………………………………… 6
　3.1. 설계된 기본 process 소개 ………………………………… 6
　　3.1.1. Flow controller ………………………………… 7
　　3.1.2. Pressure controller ………………………………… 8
　　3.1.3. Low selector ………………………………… 8
　　3.1.4. Scope ………………………………… 10
　3.2. Flow controller의 Tuning ………………………………… 10
　　3.2.1. Gain()의 Tuning ………………………………… 11
　　3.2.2. Reset time() Tuning ………………………………… 13
　3.3. Pressure controller의 Tuning ………………………………… 15
　　3.3.1. Gain()값의 Tuning ………………………………… 15
　　3.3.2. Set point(SP)값의 Tuning ………………………………… 18
　3.4. 추가적인 시뮬레이션 ………………………………… 21
　　3.4.1. Pressure controller의 I mode ………………………………… 21
　　3.4.2. Flow controller의 D mode ………………………………… 29
　　3.4.3. Flow controller가 reset feedback이 없는 PI controller일 때 …… 29
　3.5. Fine tuning의 결과 ………………………………… 31

4. 결 론(Conclusion) ………………………………… 33

References ………………………………… 34

본문내용

essure controller의 reset time()를 변화시켜 보았더니 결국은 flow가 영향을 받았고, 변화시킨 reset time이 low selector에 의해 비교되는 값의 대소 관계에 영향을 준 것임을 알 수 있다.
이 경우에 대해 우리가 원하는 목적에 맞춰보기 위해 gain도 바꿔보고, set point도 tuning을 시도해 보았지만 앞서 P mode만 사용하였을 때 보다 dynamics가 크게 달라진 점은 없었다. 오히려 figure 3.29, 3.30, 3.31에서는 flow의 진동폭이 커진 경우를 확인할 수 있었다.
3.4.2. Flow controller의 D mode
Flow controller의 dynamics를 개선하기 위하여 이번에는 D mode까지 추가하여 결과를 알아보았다. simulink상의 operator로는 PID controller을 직접 달았고 flow controller의 subsystem은 Figure 3.29와 같다.
D-mode의 Derivative kick을 방지하기위해 filtering coefficient까지 고려하는 이 operator에서는 오히려 dynamics가 PI mode만을 사용하였을 때보다 나아지지 않았다. Figure 3.33을 보면 알 수 있듯이 진동도 훨씬 심해졌고, settling time도 눈에 띌만하게 길어졌으며, overshoot도 심하여 좋은 dynamics를 얻을 수 없었다. PID mode의 parameter를 tuning해보아도 별다른 결과를 얻지 못하였다.
3.4.3. Flow controller가 reset feedback이 없는 PI controller일 때
앞서 Flow controller를 설계할 때, selector에 의해 전환된 error라던지 process자체의 error를 고려하여 reset feedback을 사용하여 해결하였다. 만약 이 reset feedback이 존재하지 않는 일반적인 PI controller인 경우에 대해 시뮬레이션 해 봄으로서 reset feedback의 효과를 직접 확인해 보았다.
Figure 3.34는 reset feedback이 존재하지 않는 flow controller의 block diagram을 나타내었다. 그 결과로 figure 3.35에 flow와 pressure에 관한 각각의 결과가 나와 있다.
결과에서 알 수 있듯이 진동이 심한 dynamics를 보이고 있으며, flow rate의 settling time이 현저히 길게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 이는 windup 현상에 의한 것으로 해석할 수 있다. 따라서 anti-reset windup은 반드시 필요한 부분이라 할 수 있겠다.
3.5. Fine tuning의 결과
위 3.1부터 3.4까지의 결과를 토대로 시뮬레이션 중 가장 잘된 tuning의 결과를 Figure 3.36에 소개한다.
4. 결론(Conclusion)
Compressor flow control은 크게 두가지의 목적으로 나뉜다. 주 목적으로 되는 것은 compressor output flow rate을 일정 set point에 맞추는 것이고, 부 목적으로 되는 것은 compressor 에 의해 압축된 유체의 압력이 일정 수준 이상을 넘지 않아 사고를 미연에 방지하는 controller를 설계하는 것이다. 이를 위해 여러 가지 input중에 목적에 맞게 선택을 할 수 있는 selector를 사용한 override control에 대해 이번 연구를 실시해 보았고, 시뮬레이션을 위하여 MATLAB의 simulink를 이용하여 실제 block diagram의 설계부터 결과 및 tuning까지 실시해 보았다.
기본적으로 flow control은 reset feedback이 존재하는 PI mode로 설계하였고, pressure control은 응답시간이 빠른 P mode만을 사용하여 설계하였다. 언제 어떤 조건으로 들어올지 모르는 disturbance의 상황 가정 하에 여러 parameter를 tuning하여 결과를 얻었다. 여기서 유의해야 할 점은 gain값의 적절한 조절로 low selector에 의한 signal selecting이 정확한 시기에 이루어져 system의 dynamics와 stability를 높이는 것이었다.
또한 selector에 의한 signal의 변화로 인해 flow control의 결과가 reset windup 현상을 보이면 settling time이 길어져 dynamics가 나빠지기 때문에 반드시 anti reset windup을 하여야 하고 여기서는 reset feedback을 이용하여 그 현상을 해결할 수 있었다.
추가적인 시뮬레이션으로 pressure controller에 I mode를 추가해 보았지만 dynamics가 나아지는 결과를 보이진 않았다. 또한 flow contoller에 D mode를 추가하여 PID control을 해보았지만 결과가 나아지기는커녕 진동이 좀 더 심해지고 overshoot현상이 일어났으며 settling time이 눈에 띠게 증가하는 결과를 보여 PI mode만을 사용했을 때 dynamics가 훨씬 나은 것을 확인할 수 있었다.
system의 dynamics를 고르는 과정은 그 상황에 따라, process를 설계하는 designer에 따라 많이 다를 수 있다. 하지만 처해있는 상황에 맞추어 어떤 설계를 행해야 할 것인지 미리 시뮬레이션 해보는 과정은 아주 중요하기 때문에 MATLAB의 simulink와 같은 프로그램을 이용하여 반드시 공정의 dynamics와 stability를 따져보는 것이 중요하다 할 수 있겠다.
References
1. Yang, D. R., Lecture Note in class homepage
(http://www.cheric.org/education/lecture/process/CHBE495/)
2. Seborg, D. E., Edgar, T. F., and Mellichamp, D. A., \"Process Dynamics and Control\", 3rd Ed., John Wiley and Sons, 2011.

키워드

Simulink,   Compressor flow control,   Override Control,   공정제어응용,   이론적 배경,   결과 분석,   시뮬레이션